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KAIST, 통증 느끼는 뉴로모픽 반도체 소자 최초 개발…로봇 피부 적용 기대

기사입력 : 2023년11월15일 08:53

최종수정 : 2023년11월15일 08:53

생물학적 감각신경제 특성 모사 구현
보안·차세대 컴퓨팅 분야 활용 기대

[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 반도체를 통해 통증을 느낄 수 있는 방법을 찾았다. 향후 휴머노이드 로봇의 피부에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 새로운 메모리 소자인 멤리스터를 사용해 통증자극 민감도 조절 기능을 갖는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 개발·구현했다고 15일 밝혔다.

멤리스터(memristor)는 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어로, 전류의 흐름에 따라 저항이 변화하는 전자 소자를 말한다.

흥분성 및 억제성 신경전달물질로 인한 통각수용체의 동작 모식도 [자료=한국과학기술원] 2023.11.15 biggerthanseoul@newspim.com

감각신경계의 핵심적인 역할 중 하나는 유해한 자극을 감지해 위험한 상황을 회피하는 것이다. 통각수용체는 자극이 민감도의 임계치를 넘으면 통증 신호를 발생해 인체가 자극에서 회피할 수 있도록 한다.

이를 위해 통각수용체의 신호 전달에는 통증 신호를 전달하는 흥분성 신경전달물질(Excitatory Neurotransmitter)과 외부 자극에 대한 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질(Inhibitory Neurotransmitter)이 관여하는 것으로 알려진다.

억제성 신경전달물질은 흥분 작용과 역균형을 이뤄 신경의 과도한 활성화를 방지하고, 다양한 외부 자극에 적절하게 반응하기 위한 핵심적인 역할을 가지게 된다.

김경민 교수 연구팀은 이중 전하 저장층 구조를 통해 외부에서의 자극에 대한 임계치를 조절할 수 있는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 최초로 개발했다.

두 종류의 서로 다른 전하 저장층은 각각 전도성을 조절하는 흥분성 신경전달물질의 역할과 임계치를 조절하는 억제성 신경전달물질의 역할을 맡아 통각수용체의 필수적인 기능들인 통증 전달 특성(threshold triggering), 통증 완화(Relaxation), 통증 민감화(Sensitization) 등의 특성을 조절할 수 있다는 점이 확인됐다.

이는 신경계의 복잡한 기능을 신경계의 동작 원리를 모방해 단순한 구조의 전자 소자로 구현하는 새로운 방법을 제시했다는 데서 의미가 남다르다.

이 소자는 온도 자극에도 반응하는 온도수용체 특성을 나타냈다. 또 억제성 상태를 제어해 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적인 온도수용체 특성을 구현할 수 있었다.

이같은 통각수용체, 온도수용체 소자는 인간을 모방하는 휴머노이드 피부에 적용해 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용될 수 있다. 

김경민 한국과기원 교수는 "이번 연구는 흥분성 및 억제성 신호 작용의 특성을 단일 소자에 구현해 간단한 반도체 기술로 복잡한 생물학적 감각신경계의 특성을 모사하는 새로운 방법론을 제시한 것"이라며 "임계치를 조절할 수 있는 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 임계 스위칭 특성을 활용하는 보안 소자나 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용될 수 있을 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김근영 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 10월 21일자 온라인에 게재됐다.

biggerthanseoul@newspim.com

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